中国科学技术大学：《半导体器件原理》课程教学资源（课件讲稿）第二章 PN结

中国科学技术大学物理系微电子专业 第二章PN结 §2.1PN结的基本介绍 §2.2PN结的耗尽近似理论 §2.3PN结的直流IV特性 §2.4PN结的CV特性 §2.5PN结的瞬态特性 §2.6PN结的击穿特性 §2.7异质结与高低结 §2.8几种典型二极管的应用 Principle of Semiconductor Devices 2023/4/18 Tuesday

中国科学技术大学物理系微电子专业 1 Principle of Semiconductor Devices 第二章 PN结 §2.1 PN结的基本介绍 §2.2 PN结的耗尽近似理论 §2.3 PN结的直流IV特性 §2.4 PN结的CV特性 §2.5 PN结的瞬态特性 §2.6 PN结的击穿特性 §2.7 异质结与高低结 §2.8 几种典型二极管的应用 2023/4/18 Tuesday

中国科学技术大学物理系微电子专业 §2.1PN结的基本介绍 PN结作为整流、开关及其他用途的器件，同时也 是半导体微波器件及光电器件的基本结构，也是双 极型晶体管、可控硅整流器和场效应晶体管的基本 组成部分。 PN结最重要的性质是整流效应，即只允许电流一 个方向通过 典型的伏安特性：加正向偏置电压时，电流随偏压 的增加而迅速增大，通常正向偏压<1V。加反向偏 压时，开始时几乎没有电流，反向电压增加时，电 流一直很小。当电压加到一个极限值时，电流突然 增加，这种现象称为结击穿，反向击穿电压大约 10V~10KV,与掺杂及器件其他参数有关。 Principle of Semiconductor Devices 2023/4/18 Tuesday 2

中国科学技术大学物理系微电子专业 2 Principle of Semiconductor Devices • PN结作为整流、开关及其他用途的器件，同时也 是半导体微波器件及光电器件的基本结构，也是双 极型晶体管、可控硅整流器和场效应晶体管的基本 组成部分。 • PN结最重要的性质是整流效应，即只允许电流一 个方向通过。 • 典型的伏安特性：加正向偏置电压时，电流随偏压 的增加而迅速增大，通常正向偏压<1V。加反向偏 压时，开始时几乎没有电流，反向电压增加时，电 流一直很小。当电压加到一个极限值时，电流突然 增加，这种现象称为结击穿，反向击穿电压大约 10V～10KV，与掺杂及器件其他参数有关。 §2.1 PN结的基本介绍 2023/4/18 Tuesday

中国科学技术大学物理系微电子专业 PN结二极管的单向导电特性 Anode Cathode UB以 0i>0 B-1分 理想二极管 实际二极管 Principle of Semiconductor Devices 2023/4/18 Tuesday 3

中国科学技术大学物理系微电子专业 3 Principle of Semiconductor Devices 理想二极管 2023/4/18 Tuesday 实际二极管 PN结二极管的单向导电特性

中国科学技术大学物理系微电子专业 一液体 A是 n型 si 合金法 饮姆接触 (a) 扩散 PE结基本工艺制造方法 15S52P032945234331244 浅扩散法 n型 (b) 扩散 n 深扩散法 0+ (c】 周子注入 退火并金属化 $i02 n 离子注入法 n+ n+ (d) Principle of Semiconductor Devices 2023/4/18 Tuesday 4

中国科学技术大学物理系微电子专业 4 Principle of Semiconductor Devices PN 结 基 本 工 艺 制 造 方 法 2023/4/18 Tuesday 合金法 浅扩散法 离子注入法 深扩散法

中国科学技术大学物理系微电子专业 杂质分布近似 (a)突变结 (b)线性缓变结 Np-NA ND-NA V/2 PN结大致可以分为两种： (1)突变结：PN结两区中的杂质浓度为均匀分布，且在交界面处发生杂质突 变。如果一区的杂质浓度远高于另一区，称为单边突变结PN或NP结。 由合金、浅扩散或低能离子注入形成。 (2)线性缓变结：结附近，其杂质分布是缓变分布的，可以用直线近似，其 斜率称为杂质浓度梯度。由深扩散或高能离子注入制得的结。 Principle of Semiconductor Devices 2023/4/18 Tuesday 5

中国科学技术大学物理系微电子专业 5 Principle of Semiconductor Devices (a)突变结 (b)线性缓变结 杂质分布近似 PN结大致可以分为两种： （1）突变结：PN结两区中的杂质浓度为均匀分布，且在交界面处发生杂质突 变。如果一区的杂质浓度远高于另一区，称为单边突变结 P +N或 N+P结。 由合金、浅扩散或低能离子注入形成。 （2）线性缓变结：结附近，其杂质分布是缓变分布的，可以用直线近似，其 斜率称为杂质浓度梯度。由深扩散或高能离子注入制得的结。 2023/4/18 Tuesday

中国科学技术大学物理系微电子考业 -qNA qNp e ⊕⊕ e T 9 e 1E e 9 I⊕ ⊕ n a 9 1⊕ ⊕ 9 1⊕ ⊕ 下苹 0 X Xx 在界面处存在空穴和电子的浓度梯度，使得空穴由P区向N 区扩散，电子由N区向P区扩散，两者都在扩散过程中通过 复合而逐渐消失。这样，在结两侧附近电中性被破坏，杂质 离子显露出电性，称为空间电荷。 ·空间电荷区：存在空间电荷的区域 自建电场（或内建电场） 这种平衡是一种动态平衡。 Principle of Semiconductor Devices 2023/4/18 Tuesday 6

中国科学技术大学物理系微电子专业 6 Principle of Semiconductor Devices • 在界面处存在空穴和电子的浓度梯度，使得空穴由P区向N 区扩散，电子由N区向P区扩散，两者都在扩散过程中通过 复合而逐渐消失。这样，在结两侧附近电中性被破坏，杂质 离子显露出电性，称为空间电荷。 • 空间电荷区：存在空间电荷的区域 • 自建电场（或内建电场） 这种平衡是一种动态平衡。 2023/4/18 Tuesday

中国科学技术大学物理系微电子专业 热平衡PN结条件 N Hole E E E E Silicon E Silicon (p-type) (n-type) Principle of Semiconductor Devices 2023/4/18 Tuesday 7

中国科学技术大学物理系微电子专业 7 Principle of Semiconductor Devices 热平衡PN结条件 P N Hole Silicon Ev (p-type) Silicon (n-type) Ec Ei Ef 2023/4/18 Tuesday Ef Ec Ei EV

中国科学技术大学物理系微电子专业 热平衡条件 N Built-in Electric Filed p n qVbi Principle of Semiconductor Devices 2023/4/18 Tuesday 8

中国科学技术大学物理系微电子专业 8 Principle of Semiconductor Devices 热平衡条件 2023/4/18 Tuesday

中国科学技术大学物理系微电子专业 1.热平衡下P区与N区的费米能级相等 所谓平衡PN结，即指无外界作用且温度恒 定的PN结 费米能级在整个样品内必须为常数。 J,=Jn(物+J散)=g,P一9D dx Principle of Semiconductor Devices 2023/4/18 Tuesday 9

中国科学技术大学物理系微电子专业 9 Principle of Semiconductor Devices 1. 热平衡下P区与N区的费米能级相等 • 所谓平衡PN结，即指无外界作用且温度恒 定的PN结。 • 费米能级在整个样品内必须为常数。 dx dp J p  J p  J  q p p  qDp   p( ) (漂移) 扩散 2023/4/18 Tuesday

中国科学技术大学物理系微电子专业 2.内建电势 (接触电势差) N型中性区 no N exp no n exp -90m →V=pn+pn kT kT ni P型中性区 P,=N,exp , g0） Principle of Semiconductor Devices 2023/4/18 Tuesday 10

中国科学技术大学物理系微电子专业 10 Principle of Semiconductor Devices 2. 内建电势（接触电势差） N型中性区                    kT E E n kT E E n N Fn Fi i c Fn c exp exp 0        kT q n n Fn i  exp 0           i D Fn n N q kT  ln  Vbi   Fn   Fp            i N N q kT n A D 2 ln P型中性区                    kT E E n kT E E p N Fi Fp i Fp v v exp exp 0          i A Fp n N q kT  ln 2023/4/18 Tuesday